01 Introdução
Em meio à mudança da indústria automotiva global em direção à eletrificação, as baterias, como principal fonte de energia dos novos veículos energéticos, determinam a competitividade dos veículos elétricos no mercado através do seu desempenho, segurança e custo. A fabricação de baterias de energia é um processo complexo que envolve conhecimento interdisciplinar, incluindo ciência de materiais, eletroquímica e engenharia de precisão. A tecnologia de conexão-de alta qualidade é um elo crucial em todo esse processo. Os métodos de união tradicionais, como soldagem por resistência e soldagem ultrassônica, apresentam cada vez mais limitações-como grandes efeitos térmicos, baixa consistência e janelas estreitas de parâmetros de processo-quando enfrentam produção automatizada em grande-escala de baterias de energia e manuseio de materiais de alta condutividade térmica, como cobre e alumínio. A tecnologia de soldagem a laser, com alta densidade de energia, entrada de calor controlável, natureza sem{8}}contato e facilidade de automação, atende aos rigorosos requisitos de fabricação de baterias de energia para precisão, eficiência e confiabilidade, e se tornou um processo central em todo o fluxo de trabalho, desde a produção de células até a montagem de baterias. Este artigo tem como objetivo ilustrar as aplicações específicas da tecnologia de soldagem a laser em diferentes estágios de fabricação de baterias de energia e resumir seu papel significativo na promoção do desenvolvimento da indústria de baterias de energia.
02 Aplicação na Etapa de Fabricação de Células de Bateria
A célula da bateria é a unidade fundamental de uma bateria elétrica, e sua precisão de fabricação e vedação são garantias essenciais de segurança e desempenho da bateria. A soldagem a laser é usada principalmente para conexão precisa e vedação final de células de bateria. Primeiro, para as conexões elétricas dentro da célula da bateria, a soldagem a laser é usada para soldar as abas. Após a conclusão do processo de enrolamento ou empilhamento, é necessário soldar firmemente as abas dos eletrodos positivo (folha de alumínio) e negativo (folha de cobre), que podem consistir em dezenas ou até centenas de camadas, juntamente com os coletores de corrente, e formar um caminho elétrico confiável com os terminais externos ou peças de conexão, conforme mostrado na Figura 1. A soldagem a laser pode fundir instantaneamente esses materiais finos com durações de pulso extremamente curtas, formando pontos de solda com baixa resistência e alta resistência. Sua vantagem reside na zona mínima-afetada pelo calor, evitando efetivamente danos térmicos aos separadores e materiais ativos vizinhos, preservando assim o desempenho eletroquímico da célula da bateria.
Em segundo lugar, na fase final de embalagem das células da bateria, a soldagem a laser é um dos métodos eficazes para obter uma vedação hermética. Ao mesmo tempo, a soldagem a laser é usada para conectar a tampa superior e o invólucro em baterias quadradas de alumínio e baterias cilíndricas de aço. Ao controlar com precisão a potência, a velocidade e a posição focal do laser, uma costura de solda contínua, suave e densa pode ser formada no invólucro, evitando efetivamente o vazamento de eletrólito e a entrada de umidade externa, garantindo a estabilidade química da célula da bateria durante toda a sua vida útil. Para células de bolsa, a soldagem a laser é usada nos processos de vedação superior e lateral, soldando as abas salientes às peças de transição de conexão e proteção (geralmente cobre-niquelado ou alumínio). Sua natureza sem{5}}contato garante a eficiência da embalagem e nenhum dano ao material de embalagem do filme plástico de alumínio-, conforme mostrado na Figura 2.
03 A aplicação na etapa de montagem de módulos de baterias e conjuntos de baterias envolve a integração de células individuais em módulos e conjuntos de baterias, exigindo uma grande quantidade de conexões elétricas e fixação estrutural. Esta é a fase onde a soldagem a laser é mais concentrada e tecnicamente desafiadora. Em termos de conexões elétricas, a principal aplicação é a soldagem em série e paralela entre células. Ao conectar os barramentos (geralmente barras de alumínio ou cobre) aos terminais da célula, é construído o sistema de circuito elétrico de toda a bateria.
As dificuldades nesse processo residem em: 1) desafios nas características do material-cobre e alumínio têm alta refletividade para lasers infravermelhos comumente usados e alta condutividade térmica, dificultando a soldagem; 2) unir materiais diferentes, como a conexão entre barramentos de cobre e terminais de alumínio, que é propenso a formar compostos intermetálicos frágeis (IMCs) que afetam a confiabilidade-da conexão a longo prazo. Para enfrentar esses desafios, a indústria desenvolveu processos avançados, como soldagem a laser oscilante, soldagem híbrida (por exemplo, arco-laser) e o uso de novos lasers de comprimento de onda, como lasers verdes ou azuis. Essas tecnologias suprimem efetivamente defeitos como respingos e porosidade e controlam a espessura da camada IMC, expandindo a poça fundida, melhorando a agitação e aumentando a absorção de energia, conseguindo assim conexões elétricas. Em termos de ligações estruturais, a soldagem a laser também desempenha um papel importante. Por exemplo, ele pode ser usado para componentes estruturais, como placas laterais de módulos e placas finais que fixam células, bem como para conectar o invólucro e a tampa da bateria. Em comparação com as conexões tradicionais de parafuso ou rebite, a soldagem a laser pode atingir um maior grau de integração e resistência estrutural, o que ajuda a melhorar a resistência da bateria à vibração e ao impacto. Além disso, pequenas soldas nos circuitos de aquisição de sensores de tensão e temperatura em sistemas de gerenciamento de baterias são cada vez mais feitas usando soldagem a laser para garantir-estabilidade e confiabilidade de longo prazo na aquisição de sinal.
04 ResumoA tecnologia de soldagem a laser, com sua alta precisão, velocidade e confiabilidade, foi integrada em todas as etapas da fabricação de baterias de energia. Desde soldagem de abas de células em microescala até conexões estruturais de baterias em macroescala, desde embalagens herméticas que garantem a segurança das células até conexões elétricas de baixa{2}}resistência que determinam o desempenho da bateria, a soldagem a laser desempenha um papel central insubstituível. Ele não apenas resolve com eficácia os desafios do processamento de materiais{4}}difíceis de-soldar, como cobre e alumínio, atendendo aos requisitos de eficiência e consistência da produção automatizada em grande-escala, mas também maximiza a proteção do desempenho eletroquímico da bateria por meio do controle preciso do calor de soldagem. A maturação e o desenvolvimento da tecnologia de soldagem a laser tornaram-se um motor tecnológico chave que impulsiona aumentos na densidade de energia da bateria, reduções nos custos de fabricação e melhorias no desempenho de segurança, fornecendo uma base sólida de fabricação para o rápido desenvolvimento da indústria global de veículos com novas energias.
